零序方向元件選擇性定子接地保護(hù)的分析

談 濤 ，陳 俊， 王 翔， 徐 金

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京，211100)

式（6—8）計(jì)算時(shí)都遵循：

隨著水電技術(shù)的日益發(fā)展，很多單機(jī)容量小的機(jī)組采取擴(kuò)大單元接線方式，以降低建設(shè)成本。擴(kuò)大單元接線方式中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地，任一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障，會(huì)導(dǎo)致并列運(yùn)行的多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)跳閘[1]，影響了機(jī)組的安全高效運(yùn)行，所以必須尋找一種能夠正確區(qū)分機(jī)組區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的定子接地保護(hù).現(xiàn)有的定子接地保護(hù)一般采用基波零序電流，基波零序電壓、三次諧波和低頻注入信號(hào)等方法，雖然這些方法能有效地保護(hù)100%定子接地，但是用于擴(kuò)大單元接線機(jī)組上依然不能區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。業(yè)內(nèi)提出過(guò)一種基于行波方向的定子接地保護(hù)，原理上能正確區(qū)分故障范圍，但是由于行波只在故障瞬時(shí)0.2～0.3 ms時(shí)間出現(xiàn)，現(xiàn)有的保護(hù)很難捕捉，目前尚處于理論研究階段[1]。

1理論分析

1.1以三機(jī)一變擴(kuò)大單元接線方式為分析模型

三機(jī)一變擴(kuò)大單元接線方式如圖1所示。為了計(jì)算方便，假設(shè)同一個(gè)單元機(jī)組的容量、定子繞組對(duì)地電容、機(jī)端出線電纜對(duì)地電容、變壓器低壓側(cè)母排對(duì)地電容、接地變以及二次負(fù)載的參數(shù)均相同。圖1對(duì)應(yīng)的零序等值電路如圖2所示。

圖1 擴(kuò)大單元接線方式

圖2 零序等效網(wǎng)絡(luò)圖

1.2相關(guān)理論計(jì)算和數(shù)據(jù)分析

（1）單臺(tái)機(jī)組區(qū)外故障理論計(jì)算。假設(shè)在發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)下端發(fā)生單相金屬性接地，零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示，不考慮接地變壓器漏阻抗和接地變壓器勵(lì)磁繞組的影響。

由式（1）、式（2）得：由式（3）得合成零序電流I0滯后機(jī)端零序電壓U090°。

（2）單臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。以某電站5號(hào)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為計(jì)算模型，該機(jī)組具體技術(shù)參數(shù)為：發(fā)電機(jī)額定容量為42 MW，發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)為0.92，機(jī)端額定電壓為13.8 kV，機(jī)端電壓互感器（TV）變比為7.97 kV/57.74 V/33.33 V，中性點(diǎn)接地變變比為13.8 kV/230 V(173 V)，機(jī)端零序電流互感器（TA）變比為20 A/2 A，中性點(diǎn)接地變二次負(fù)載為R=0.24 Ω，中性點(diǎn)零序TA變比為600 A/1 A。在發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)柜機(jī)端斷路器下端口用銅辮子線設(shè)置短路點(diǎn)，手動(dòng)增加勵(lì)磁，使機(jī)端電壓達(dá)到0.75 kV。計(jì)算發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓二次值：

中性點(diǎn)零序電壓二次值：

計(jì)算中性點(diǎn)零序電流：

由式(2)計(jì)算機(jī)端零序電流：

計(jì)算出合成零序電流：

由此可見(jiàn)，合成零序電流滯后機(jī)端零序電壓88.52°，和式(3)分析結(jié)果基本一致。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)錄波圖（瞬時(shí)值錄波）數(shù)據(jù)基本一致，如圖4所示。

圖4單機(jī)區(qū)外故障錄波

1.3單臺(tái)機(jī)組區(qū)內(nèi)故障理論計(jì)算

假設(shè)在發(fā)電機(jī)機(jī)端匯流母排發(fā)生單相金屬性接地，零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。計(jì)算時(shí)不考慮接地變壓器漏阻抗和接地變壓器勵(lì)磁繞組的影響。

圖5單臺(tái)機(jī)組區(qū)內(nèi)故障

由式（5）可得，在忽略一切感抗、容抗的影響下，中性點(diǎn)零序電流滯后零序電壓0°。

以某電站5號(hào)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為計(jì)算模型，計(jì)算分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在發(fā)電機(jī)出口匯流母排用銅辮子線設(shè)短路點(diǎn)，手動(dòng)增加勵(lì)磁使機(jī)端電壓達(dá)到0.75 kV。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓二次值為：

中性點(diǎn)零序電流：

合成零序電流：

由此可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所錄采樣數(shù)據(jù)基本一致。試驗(yàn)錄波數(shù)據(jù)（瞬時(shí)值錄波）如圖6所示。

圖6單機(jī)區(qū)內(nèi)故障保護(hù)錄波

1.4零序方向元件的整定

（1）單臺(tái)機(jī)組區(qū)內(nèi)故障：QF1 合位，QF2，QF3 分位，K1點(diǎn)發(fā)生單相金屬性故障（以圖2計(jì)算）。

2臺(tái)機(jī)組區(qū)內(nèi)故障：QF1，QF2合位，QF3分位，K1點(diǎn)發(fā)生單相金屬性故障。

3臺(tái)機(jī)組區(qū)內(nèi)故障：QF1，QF2，QF3 合位，K1 點(diǎn)發(fā)生單相金屬性故障。

式（6—8）計(jì)算時(shí)都遵循：

由式 （6—8）分別得出零序電流超前零序電壓45°， 26.6°， 33.7°。

（2）按照?qǐng)D2分析，單機(jī)、2臺(tái)、3臺(tái)機(jī)組區(qū)外母線上單相接地機(jī)端零序電流的表達(dá)式均相同：

機(jī)端零序電流和中性點(diǎn)零序電流之和為合成零序電流：

由此可見(jiàn)，合成零序電流滯后零序電壓固定為90°。以式（6—8）計(jì)算出的最小角度和最大角度的中間線作為區(qū)內(nèi)保護(hù)動(dòng)作的最靈敏線,最靈敏線逆時(shí)針、順時(shí)針各偏一個(gè)角度θ，θ＞θ大-θ小，并且邊2界1＞270°。邊界1逆時(shí)針轉(zhuǎn)到邊界2為保護(hù)動(dòng)作區(qū)，如圖7所示。

圖7 動(dòng)作邊界

1.5現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)正確閉鎖區(qū)外故障錄波

2009年1月10日17時(shí)43分06秒，國(guó)內(nèi)某電站4號(hào)機(jī)組擴(kuò)大單元運(yùn)行，10號(hào)、12號(hào)機(jī)組運(yùn)行，11號(hào)機(jī)組檢修。10號(hào)機(jī)組機(jī)端開(kāi)關(guān)發(fā)生單相接地故障，12號(hào)機(jī)組 （已進(jìn)行過(guò)選擇性定子接地保護(hù)改造）判為區(qū)外故障成功閉鎖定子接地保護(hù)，見(jiàn)圖8。

圖8 12號(hào)機(jī)組區(qū)外成功閉鎖錄波

4.5 s后保護(hù)裝置沒(méi)有出口，成功閉鎖。

2調(diào)試中存在的問(wèn)題以及解決方法

2.1不平衡電流的消除

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),正常情況下機(jī)端不平衡零序電流大于一定的數(shù)值后,保護(hù)裝置不能正確地判斷方向,因此怎樣將正常運(yùn)行時(shí)候不平衡零序電流降到技術(shù)要求的范圍（10 mA）內(nèi)是該保護(hù)能不能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)工程實(shí)踐中摸索的經(jīng)驗(yàn),可從以下幾個(gè)方面采取措施。

（1）發(fā)電機(jī)出口電纜嚴(yán)格按照空間磁平衡方式排布；

（2）電纜必須垂直正交從TA的正中心穿過(guò)；（3）電纜與橋架底層間用絕緣墊隔離，電纜屏蔽層完好；

（4）零序TA 1.5 m空間范圍內(nèi)不能布置大功率動(dòng)力電纜；

（5）機(jī)端三相電流的屏蔽層接地點(diǎn)應(yīng)該在發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)；

（6）二次零序電流回路的屏蔽層嚴(yán)格單端一點(diǎn)接地；

（7）二次零序電流回路周?chē)鷽](méi)有強(qiáng)電電纜；

（8）為工程調(diào)試方便,零序TA的支撐架設(shè)計(jì)安裝成能調(diào)節(jié)的。

2.2保護(hù)死區(qū)問(wèn)題

由于該保護(hù)在原理上屬于零序電壓型保護(hù)，所以在靠近發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)故障時(shí)保護(hù)存在死區(qū)。假設(shè)在距離中性點(diǎn)α處發(fā)生A相金屬性故障,則故障點(diǎn)零序電壓通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端TV各相對(duì)地電壓的分析可以得到機(jī)端零序電壓U˙t0=-αEA=U˙n0[4]。 當(dāng) α 接近 0 時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和機(jī)端TV開(kāi)口將感測(cè)不到零序電壓，導(dǎo)致方向元件失效，并且取自中性點(diǎn)TV的動(dòng)作元件也將失效，該選擇性定子接地保護(hù)只能在發(fā)電機(jī)定子的95%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，另外5%通過(guò)常規(guī)的三次諧波電壓保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)選擇性保護(hù)。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某工程三機(jī)一變接線方式的貫流式機(jī)組選擇性定子接地保護(hù)的安裝調(diào)試，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，驗(yàn)證了該保護(hù)原理的正確性和實(shí)用性。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用（第2版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[2]陳 俊，沈全榮.擴(kuò)大單元接線發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（24）：86-89.

[3]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第3版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，1994.

[4]李玉海，張小慶，徐 敏.關(guān)于定子接地保護(hù)的幾個(gè)問(wèn)題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23 （11）：50-54．